استغلال الطاقة الشمسیة المجمعة بواسطة الصوب البلاستیکیة لتجفیف المخلفات الزراعیة والصناعیة للموز

نوع المستند : Original Article

المؤلفون

1 أستاذ مساعد ـ قسم الهندسة الزراعیة ـ کلیة الزراعة ـ جامعة کفرالشیخ ـ کفرالشیخ 33516 ـ مصر

2 مدرس ـ قسم الهندسة الزراعیة ـ کلیة الزراعة ـ جامعة کفرالشیخ ـ کفرالشیخ 33516 ـ مصر

3 باحث ـ معهد بحوث الهندسة الزراعیة ـ مرکز البحوث الزراعیة ـ وزارة الزراعة واستصلاح الأراضی ـ مصر

4 طالبة ماجستیر ـ قسم الهندسة الزراعیة ـ کلیة الزراعة ـ جامعة کفرالشیخ ـ کفرالشیخ 33516 ـ مصر

المستخلص

أصبحت مصادر العلف الحیوانی محدودة لدرجة أنها لا تسمح للإنتاج الحیوانی بالزیادة لتلبیة الاحتیاجات البشریة من البروتین. إتاحة هذه الأعلاف غیر متساو بین موسمی الصیف والشتاء. المشکلة الرئیسیة هی فی فصل الصیف حیث لا یوجد المزید من الأعلاف الحیوانیة البدیلة للبرسیم. لذا اتجه خبراء التغذیة للبحث عن المحتوى الغذائی لمخلفات المحاصیل الزراعیة والصناعیة وإمکانیة استخدامه کغذاء للحیوان. التحلیل الکیمیائی لأوراق وسیقان وقشر الموز على مقربة من البرسیم ویمکن أن تلعب دوراً هاماً لتغطیة الاحتیاجات الغذائیة للحیوانات (عبد الجواد وآخرون، 1994) وقد تحقق أعلى وزن حی عندما استکمل النظام الغذائی مع الموز (إبراهیم وآخرون، 2000). إضافة إلى ذلک نفایات الموز متوفرة على مدار العام وتصل المساحة الکلیة لمزارع الموز فی مصر 64297.5 فدان. وتعتبر مصر لتکون ثالث دولة فی إنتاج الموز بعد نیجیریا وأسترالیا. تعتبر مزارع الموز من أکبر المزارع التی ینشأ عنها مخلفات حیث ینتج الفدان الواحد 40 طن مخلفات (وزارة الزراعة، 2013). لذلک تعتبر عملیات إعادة استخدام مخلفات الموز کغذاء للحیوان من أسهل وأبسط العملیات من بین المخلفات الزراعیة الأخرى نظراً لتوافرها على مدار السنة وارتفاع القیمة الغذائیة بها وکذلک العمل على مشکلة التخلص على هذه المخلفات للحفاظ على البیئة. تعتبر عملیة التجفیف هی المعاملة الأولى والضروریة لتخفیض المحتوى الرطوبی للمخلفات إلى الحد الذی یسهل من التعامل مع هذه المخلفات سواء من عملیات سحق أو فرم لخلطها مع مرکزات علفیة أخرى أو تقدیمها فی صورة مناسبة للحیوان. من بین التصامیم المتاحة للمجففات الشمسیة تم اختیار المجفف الشمسی من النوع المختلط لمدى فعالیته وکذلک لسعة إنتاجه حیث أنها تشتمل على فائدة استغلال الإشعاع الشمسی الساقط على المنتج الغذائی المراد تجفیفه مباشرة فی حجرة التجفیف إضافة إلى الهواء الساخن والمسحوب من المجمع الشمسی.
 ثلاث أشکال هندسیة مختلفة من المجمعات الشمسیة ذات حیز فراغی واحد 0.735 متر مکعب تم وضعها تحت الدراسة وتقییم أداؤها وکذلک دراسة أربع طرق توزیع لمخلفات شجرة الموز على صوانی التجفیف داخل غرفة التجفیف وهى مخلفات بأطوال تقطیع 3 و 5سم وعمق فرشة 5 و 8سم ولقشر الموز عمق فرشة 3 و 5سم. تم دراسة فعالیة عملیة التجفیف وکذلک أداء المجففات الشمسیة الثلاثة بالترکیز على الطاقة الحراریة المکتسبة والمفقودة الشغالة (Exergy).

خواص هواء التجفیف تحت الدراسة هی کالآتی:

(1)  سعة هواء التجفیف على أساس رطوبة مطلقة و فرق درجات حرارة.
(2)  الإنثالبیا النوعیة الکامنة والمحسوسة.

تم تقییم أداء الثلاث مجففات الشمسیة بحساب

(1)   کمیة الطاقة الحراریة المجمعة بواسطة المجمع وکذلک غرفة التجفیف.
(2)   کفاءة التجمیع الحراری.
(3)   الطاقة الشغالة المتاحة

تم تقییم أداء عملیة التجفیف لجمیع صوانی التجفیف ذات طرق توزیع فرشة مختلفة بحساب.

(1)   المحتوى الرطوبی على أساس رطب وعلى أساس جاف.
(2)   معدل التجفیف.

المؤشرات اللاتی تحکم أداء عملیة التجفیف منسوبة إلى خواص هواء التجفیف.

(1)   نسبة استخدام الطاقة. 
(2)   کفاءة التجفیف.
(3)   کفاءة نزع الرطوبة من المخلفات.
سعة هواء التجفیف (الفرق بین الرطوبة المطلقة أو درجة الحرارة الحالیة والرطوبة المطلقة أو درجة الحرارة عند التشبع الأدیاباتیکی) تم قیاسه عند أربع مناطق (للوسط المحیط کظروف أولیة، داخل المجمع الشمسی، غرفة التجفیف، وعند مخرج مروحة السحب).
المجمع الشمسی الأسطوانی أکثر المجمعات الشمسیة تأثیراً على زیادة سعة هواء التجفیف. بینما النصف اسطوانی هواء التجفیف به أعلى إنثالبیا نوعیة. المجففان النصف اسطوانی والاسطوانی لدیهما تقریباً نفس کمیة الطاقة المجمعة على مدار یوم التجفیف 4932، 4894.8 کیلو جول خلال الیوم الثانی من التجفیف. المجففان الاسطوانی والنصف اسطوانی لدیهما أعلى کفاءة تجمیع 28.46 و 27.44٪ على الترتیب. تم دراسة وتحلیل الطاقة الشغالة للثلاثة مجففات لمعرفة ما إذا کانت أحجام المجمعات الشمسیة مناسبة وملائمة لتفی باحتیاجات غرفة التجفیف من الطاقة أم لا. محصلة الطاقة الشغالة داخل غرفة التجفیف لکل مجفف تدل على مدى ملائمة المجمع الشمسی. المجفف الاسطوانی یحتاج إلى أعلى کمیة طاقة شغالة 1.5 کیلو جول/کج من مجمعه الشمسی خلال یوم التجفیف الثانی خصوصاً فی أخر ثلاثة ساعات لتقدم عملیة التجفیف والحصول على أقل محتوى رطوبی 0.9 کجم ماء/کجم مادة جافة. تم ملاحظة أن المحتوى الرطوبی للمجفف الاسطوانی ینخفض کثیراً فی الیوم الثانی متحصله على أعلى معدل تجفیف 0.0302 کجم ماء/دقیقة لعمق فرشة 5 سم وطول قطع 3 سم. معدل التجفیف ما هو إلا محصلة لـ الإنثالبیا النوعیة، سعة هواء التجفیف، کمیة الحرارة المکتسبة، الطاقة الشغالة، طریقة توزیع المخلفات على صوانی التجفیف، نوع المجفف و أخیراً المحتوى الرطوبی. کل هذه العوامل لها تأثیر معنوی على معدل التجفیف على مستوى 99٪. تم استخدام التحلیل الإحصائی المتعدد الانحدار فتم الحصول على المعادلات الآتیة معبرة على معدل التجفیف لمخلفات شجرة الموز وکذلک لقشر ثمار الموز.




 

R2=0.732



 

R2=0.710





حیث أن





DT


نوع المجفف




Dep


عمق الفرشة على صوانی التجفیف




Se


الإنثالبیا النوعیة




AC


سعة هواء التجفیف




Eng


کمیة الطاقة المکتسبة




Exg


الطاقة الشغالة المتاحة




MC


المحتوى الرطوبی على أساس رطب للمخلفات





نسبة الطاقة المستغلة للمجفف الاسطوانی والنصف اسطوانی والشبه المنحرف هو 48.77 ، 52.06 ، 55.58٪ على الترتیب.
متوسط نسب الطاقة المستغلة فی یوم التجفیف الثانی یکون أکبر منه عن الیوم الأول نتیجة إلى أن الإنثالبیا النوعیة لهواء التجفیف فی الیوم الثانی أعلى من الیوم الأول.
کفاءات التجفیف لطرق توزیع المخلفات على صوانی التجفیف للمجفف الاسطوانی من ساعة تجفیف 10-15 ساعة موضحة فی الجدول الآتی:





طول قطع المخلفات 3 سم مع عمق فرشة 5سم


46.2٪




طول قطع المخلفات 5 سم مع عمق فرشة 5سم


17.9٪




طول قطع المخلفات 3 سم مع عمق فرشة 8سم


4.17٪




طول قطع المخلفات 5 سم مع عمق فرشة 8سم


15.1٪




عمق فرشة 3سم لقشر الموز


14.4٪




عمق فرشة 5سم لقشر الموز


32.5٪





أعلى کفاءة تجفیف کانت لطول قطع المخلفات 3 سم مع عمق فرشة 5سم و عمق فرشة 5سم لقشر الموز. لذلک تم اعتبارهما على أنهما أنسب طریقتان لتوزیع مخلفات الموز. کفاءة نزع الرطوبة من المخلفات کانت تتراوح ما بین 4.19 إلى 14٪ للمجفف الشبه منحرف، أما الاسطوانی والشبه اسطوانی فکانت تتراوح ما بین 1.3 إلى 7.8٪ و1.3 إلى 10.7٪ على الترتیب.

Abdallah, S. E. 2010. Thermal efficiency enhancement of a solar drier for hay making from sugar beet tops. AMA-Agricultural Mechanization in Asia Africa and Latin America, 41(4): 87-98.
Abd El-Gawad, A. M.; W. H. Abd El-Malik; S. M. Allam and I. M. El-Said. 1994. Utilization of banana, tomato and potato by-products by sheep. Egyptian J. Anim. Prod.Vol. 31, supplement issue, Nov.: 215.
Abd El-Ghani, A. A.; E. I. Shehata; E. M. Ibrahim and F. M. R. El-Feel. 2002. Performance of lambs fed rations containing banana wastes. Egyptian J. Nutrition and Feeds, 5(2): 235-250.
Akpinar, E. K.; Y. Bicer and C. Yildiz. 2003. Thin layer drying of red pepper. Journal of Food Engineering, 59: 99–104.
Akpinar, E. K.; A. Midilli and Y. Bicer. 2006. The first and second law analyses of thermodynamic of pumpkin drying process. Journal of Food Engineering, 72:320–31.
Akpinar, E. K. 2005. Determination of suitable thin layer drying curve model for some vegetables and fruits. Journal of Food Engineering, 73: 75-84.
Amer, B. M. A.; M. A. Hossain and K. Gottschalk. 2010. Design and performance evaluation of a new hybrid solar drier for banana. Energy Conversion and Management, 51: 813–820.
ASAE. 1998. Moisture relationships of plan-based agricultural products. ASAE standard D245.5, AM. Soc. Agric. Eng. St. Joseph. MI.
Babalis, S. J. and V. G. Belessiotis. 2004. Influence of the drying conditions on the drying constants and moisture diffusivity during the thin-layer drying of figs. Journal of Food Engineering, 65: 449–58.
Banout, J.; P. Ehl; J. Havlik; B. Lojka; Z. Polesny and V. Verner. 2011. Design and performance evaluation of a Double-pass solar drier for drying of red chilli (Capsicum annum L.). Solar Energy, 85: 506–515.
Celma, A. R. and F. Cuadros. 2009. Energy and exergy analyses of OMW solar drying process. Renewable Energy, 34: 660–666.
Ceylan, I and A. Ergun. 2014. Psychrometric analysis of a timber drier. Case Studies. Thermal Engineering, 2: 29-35.
Dincer, I. and A. Z. Sahin. 2004. A new model for thermodynamic analysis of a drying process. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(4): 645–52.
Dincer, I. 2002. On energetic, exergetic and environmental aspects of drying systems. Int. J. Energy Res., 26:717–27.
Doymaz, I. 2004. Convective air drying characteristics of thin layer carrots. Journal of Food Engineering, 61:359–64.
Doymaz, I. 2005. Drying behavior of green beans. Journal of Food Engineering, 69: 161–5. a.
Doymaz, I. 2005. Drying characteristics and kinetics of okra. Journal of Food Engineering, 69: 275–9.b.
Doymaz, I. 2006. Thin layer drying behavior of mint leaves. Journal of Food Engineering, 74: 370–5.
Ekechukwu, O.V. and B. Norton. 1999. Review of solar energy drying systems II: an overview of solar drying technology. Energy Conversion and Management, 40: 615–655.
Ertekin, C. and O. Yaldiz. 2004. Drying of eggplant and selection of a suitable thin layer drying model. Journal of Food Engineering, 63: 349–59.
Hossain, M. A. and B. K. Bala. 2007. Drying of hot chilli using solar tunnel drier. Solar Energy, 81: 85–92.
Hossain, M. A.; J. L. Woods and B. K. Bala. 2005. Optimization of solar tunnel drier for drying of chilli without color loss. Renewable Energy, 30: 729–742.
Ibrahim, M. A.; F. Holmann; M. Hernandez; A. Camero. 2000. Contribution of Erythrina protein banks and rejected bananas for improving cattle production in the humid tropics. Agroforestry Systems, 49: 245.
Karim, M D. A. and M. N. A. Hawlader. 2005. Drying characteristics of banana: theoretical modeling and experimental validation. Journal of Food Engineering, 70: 35–45.
Koyuncu, T. 2006. Performance of various design of solar air heaters for crop drying applications. Renewable Energy, 31: 1073–1088.
Leon, M. A.; S. Kumar and S. C. Bhattacharya. 2002. A comprehensive procedure for performance evaluation of solar food driers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6: 367–393.
Marie-Magdeleine, C.; M. Boval; L. Philibert; A. Borde and H. Archimède. 2010. Effect of banana foliage (Musa x paradisiaca) on nutrition, parasite infection and growth of lambs, Livestock Science, 131: 234–239.
Midilli, A and H. Kukuk. 2003. Energy and exergy analyses of solar drying process of pistachio. Energy, 28: 539–56a.
Midilli, A. and H. Kucuk. 2003. Mathematical modeling of thin layer drying of pistachio by using solar energy. Energy Conversion and Management, 44:11–22b.
Ministry of Agriculture 2013. Economics Bull. Central Dept. of Agric., Cairo, Egypt.
Mohapatra, D.; S. Mishra and N. Sutar. 2010. Banana and its by-product utilisation: an overview. Journal of Scientific & Industrial Research, 69: 323-329.
Panchariya, P. C.; D. Popovic and AL. Sharma 2002. Thin layer modeling of black tea drying process. Journal of Food Engineering; 52: 349–57.
Sabarez, H. T. and W. E. Price. 1999. A diffusion model for prune dehydration. Journal of Food Engineering, 42: 167–72.
Simal S.; A. Mulet; J. Tarrazo and C. Rossello. 1996. Drying models for green peas. Food Chemistry, 55: 121–8.
Simate, I. N. 2003. Optimization of mixed-mode and indirect-mode natural convection solar driers. Renewable Energy, 28: 435–453.
Singh, S.; P. P. Singh and S.S. Dhaliwal. 2004. Multi-shelf portable solar drier. Renewable Energy, 29: 753–765.
Tilley, J. M. H. and R. Terry. 1963. A two-stage technique for the In-vitro digestion forage crops, J. Brit Grass. Soc., 18:104.
Tsatsaronis, G. 2007. Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics. Energy, 32:249–53.
Zhiqiang, Y. 2005. Development of solar thermal systems in China. Solar Energy Materials and Solar Cells, 86: 427–442.